太阳能电池的工作原理是什么

您可能见过使用太阳能电池的计算器——从不需要电池的计算器，有时这种计算器甚至没有关闭按钮。只要有足够的光，这些计算器似乎就可以一直工作下去。您可能见过更大的太阳能电池板——在紧急交通标志、公共电话亭、浮标甚至停车场中和电源指示灯上都能看到这样的电池板。尽管这些大型面板不像太阳能计算器那样常见，但它们确实存在，如果您知道相应的位置，便会很容易发现它们。太阳能电池还装在人造卫星上，用来为其供电。

在近20年中，您可能不断听到“太阳能革命”这一说法--讲的是有一天我们会全部使用从太阳获得的免费电能。这是一个诱人的承诺：在天气晴朗、阳光明媚的日子里，太阳向地球表面辐射的能量约为1,000瓦每平方米，如果我们可以将这些能量全部收集起来，就可以轻松地为住宅和办公室提供免费电力。

光伏电池：将光子转换为电子

您看到的计算器和卫星的太阳能电池也被称为光伏（PV）电池，顾名思义（照片，意思是“光”和光伏，意思是“电“），将太阳光直接转化为电能。一个模块是一个电气连接的电池组，并打包成一帧（俗称的太阳能电池板），这样就可以组合成更大的太阳能电池阵列，像一个操作系统在内利斯空军基地，内华达州。

特殊材料制成的光伏电池，称为半导体如硅，这是目前最常用的使用。基本上，当光照射的细胞内的半导体材料，它的某些部分被吸收。这意味着，所吸收的光的能量被转移到半导体。能源敲门电子松动，使他们能够自由流动。

光伏电池也都具有一个或多个电场作用迫使光吸收所释放的电子，以在一定的方向流动。这种电子流是一个电流，并通过将金属触点的PV电池的顶部和底部的，我们可以得出，供外部使用，也就是说，一个计算器供电电流切断。这个电流，连同细胞的电压（这是一个结果，其内置在电场或字段）定义的功率（或功率）的太阳能电池单元，可以制作。

这是基本的过程，但真的更。在接下来的页面中，让我们更深入地了解一个光伏电池：单晶硅电池成一个例子。

硅如何使太阳能电池

硅有一些特殊的化学性质，特别是在其结晶形式。硅原子有14个电子，安排在三个不同的炮弹。前两发炮弹-2至8个电子分别持有-完全充满。的外壳，但是，是仅有四个电子只有半满。硅原子总是会寻找途径，以填补其最后的外壳，而要做到这一点，将分享附近有四个原子的电子。这就像每个原子与邻国持有手中，不同的是在这种情况下，每个原子有四手接合的四个邻居。这就是形成的结晶结构，该结构的结果是重要的这种类型的光伏电池。

唯一的问题是，纯晶体硅是电的不良导体，因为没有它的电子可以自由走动，不像更优化的，如铜导体中的电子。为了解决这个问题，在太阳能电池中的硅杂质-其他原子的硅原子故意混在-它改变了工作位。我们通常认为杂质是不可取的，但在这种情况下，我们的细胞是行不通的，没有他们。考虑硅的磷原子在这里和那里，也许每一百万个硅原子中的一个。磷有五个电子，在其外壳，而不是四个。它仍然债券，其硅邻原子，但在某种意义上，磷，没有任何人执子之手，有一个电子。它不形成一个键的一部分，但它保持在磷核有一个正的质子。

当能量被添加到纯硅，例如热的形式中，它可能会导致一些电子挣脱他们的债券和离开他们的原子。留下一个洞，在每一种情况下。这些电子，所谓的自由载流子，然后带着周围的结晶晶格中随机寻找另一个孔落入以承载电流。不过，也有纯硅中很少有这样的，他们是非常有用的。

但是，我们的纯硅与磷原子混合，是一个不同的故事。少了很多的精力，因为他们没有太大的在任何相邻原子的债券敲松之一的“额外”的磷电子。因此，这些电子挣脱，我们有更多的自由载流子，比我们在纯硅。添加杂质的目的的方法，被称为掺杂，并用磷掺杂时，所得到的硅被称为N型（为负的“n”），因为自由电子的患病率。N-型掺杂的硅比纯硅是一种更好的导体。

一个典型的太阳能电池单元的其他部分被掺杂的元素硼，只有三个在其外壳中的电子，而不是四个，成为P-型硅。具有自由的开口，而不是具有自由电子，P型（“p”表示正数），进行相反的（正）电荷。

在接下来的页面中，我们就来仔细看看会发生什么时，这两种物质开始互动。

解剖的太阳能电池

在此之前，我们两个单独的硅是电中性的，最有趣的部分开始，当你把它们放在一起。这是因为没有一个电场的情况下，细胞将不能正常工作;形成的N型和P型硅时，接触到该字段。突然，自由电子的N端看到的P侧的所有开口，有一个狂奔，以填补他们。所有的自由电子填满所有的自由空穴？号如果他们这么做，那么整个的安排不会是非常有用的。但是，他们这样做的交界处，结构和形式障碍的东西，使得它越来越难以跨越P侧的N端上的电子。最终，平衡达到，我们有一个电场分离双方。

此电场的作为一个二极管的行为，使（连推）电子流从P侧的N侧，但不是周围的其他方法。它像一座小山-电子很容易下山（N侧），但不能爬上去（P侧）。

当光线照射，光子的形式，击中了我们的太阳能电池，其能量分解的电子-空穴对。每个有足够能量的光子，通常会释放，导致在一个自由孔，以及一个电子如果发生这种情况的电场足够接近，或者如果发生的自由电子和自由空穴漂移到它的影响范围，该字段将发送电子的N端和P侧的孔。这将导致进一步破坏的电中性，如果我们提供了一个外部电流通路，电子流过的路径P侧团结孔，电场送到那里，一路上为我们做的工作。电子的流动提供了电流，和细胞的电场引起的电压。随着电流和电压，功率，这是该产品的两个。

有几个组件离开之前，我们真的可以使用我们的细胞。硅恰好是一个非常有光泽的材料，它可以发送的光子反弹走之前，他们已经完成了他们的工作，所以

抗反射涂层被施加，以减少这些损失。最后的步骤是安装的东西，将保护细胞免受元素-通常是玻璃盖板。光伏组件通常通过连接几个独立的细胞结合在一起，以实现有用的电压和电流，并把它们放在一个坚固的框架，完整的正面和负面的终端。

我们的光伏电池吸收多少阳光能源？不幸的是，可能不是一个可怕的很多。例如，在2006年，大多数太阳能电池板只能达到约12％至18％的效率水平。最尖端的太阳能电池板系统，今年终于肌肉发达，其对行业的长期40％的太阳能电池的效率屏障-达到40.7％。那么，为什么是这样一个挑战，使一个阳光灿烂的日子吗？

在太阳能电池中的能量损失

可见光是只在电磁频谱的一部分。电磁辐射是不是单色-它是由不同波长的范围内，因此，能量水平。（参见光的原理有一个良好的电磁频谱的讨论。）

轻者可被分成不同的波长，我们可以看到一个彩虹的形式。由于光线击中了我们的细胞有一个宽能量范围的光子s的，事实证明，有些人会没有足够的能量来改变一个电子-空穴对。他们会简单地通过细胞仿佛是透明的。还有其他的光子具有太多的精力。只有一定量的能量，在电子伏特（eV）和测量定义由我们的格网材料（晶体硅约1.1eV），需要松敲一个电子。我们把这种材料的带隙能量。如果一个光子有更多的能量超过所需的量，那么额外的能量损失。（也就是说，除非一个光子的两倍所需的能量，并能创造一个以上的电子-空穴对，但这种影响是不显着）。这两种效应能解释的损失约70％的辐射能量事件我们的细胞。

为什么我们不能选择一个非常低的带隙的材料，所以我们可以使用更多的光子？不幸的是，我们的带隙也决定了我们的电场强度（电压），如果太低，那么我们做了额外的电流（通过吸收更多的光子），我们失去了一个小的电压。请记住，功率是电压乘以电流。平衡这两种效应的最佳带隙，是由单一材料制成的细胞约1.4电子伏特。

我们有其他损失。我们的电子流通过外部电路从一侧的单元格的其他。我们可以用金属盖底，让良好的导电，但如果我们完全盖在上面，然后光子不能获得通过不透明的导体，我们失去了所有我们目前的（在一些细胞中，透明导体上使用顶表面，但不是在所有）。如果我们把我们的联系人，然后在我们的细胞的两侧的电子具有，前往极长的距离才能到达的接触。请记住，硅是一种半导体-这是不是最好的传输电流的金属。其内部电阻（称为串联电阻）是相当高的，和高电阻装置的高损耗。为了尽量减少这些损失，细胞通常所涵盖的金属接触缩短的距离，电子有旅行，而只有一小部分的细胞表面覆盖的网格。即便如此，一些光子被阻塞的网格，不能太小，否则其自身的电阻将会太高。

现在我们知道了如何太阳能电池的工作，让我们来看看电源的房子，随着技术的发展需要什么。

太阳能供电房子

你会怎么做你的房子太阳能供电？虽然它不是简单的拍打着一些模块在你的屋顶，它是不是非常困难的事。

首先，并不是每一个屋顶上有正确的方向或角度的倾斜，以充分利用太阳的能量。非跟踪光伏系统在北半球理想情况下应该指向真南路，东风和西风方向面对的方向虽然可以，但牺牲了不同程度的效率。太阳能电池板倾斜的角度也应尽可能靠近该地区的纬度尽可能吸收能量全年的最高金额。如果你想最大限度地提高能源生产的上午或下午，和/或在夏季或冬季，可用于不同的方向和/或倾斜。当然，模块不应该被附近的树木或建筑物遮挡，无论时间一天或一年的时间。在PV模块，如果甚至只是它的一个细胞是阴影，功率生产可以显著减少。

如果你有一所房子，一个没有阴影，向南面朝屋顶，你需要决定你需要什么尺寸的系统。这是复杂的事实，您的电力生产依赖于天气，这是从来没有完全可预测，电力需求也将有所不同。幸运的是，这些障碍是很容易清除。气象数据给出了平均每月阳光的水平，适用于不同的地理区域。这需要考虑降雨和多云天气，以及海拔，湿度和其他更微妙的因素。最糟糕的一个月，你应该设计，让你有足够的电力全年。的数据和一般家庭的需求（方便您的公用事业账单，让你知道你每月有多少能量），你可以用它来??确定究竟有多少PV模块，你需要有简单的方法。您还需要决定系统电压，你可以控制的决定有多少模块丝系列。

您可能已经猜到了一些，我们必须要解决的问题。首先，我们应该做些什么，当太阳不发光呢？

解决太阳能发电的问题

思想生活在心血来潮的天气预报可能不兴奋大多数人，但仍然可以保证你有权力即使太阳不配合的三个主要选项。如果你想住完全关闭网格，但不信任您的光伏电池板提供的电力，你需要在紧要关头，你可以使用备用发电机，当太阳能供应不足。的第二个独立的系统涉及能量存储中的形式的电池。不幸的是，电池可增添了不少光伏系统的成本和维护，但它是目前必要的，如果你想成为完全独立的。

另一种方法是，当你需要它的购买力和销售回来时，你产生更多的比你使用你的房子与公用电网连接。通过这种方式，该实用程序作为实际上无限的存储系统。但请记住，政府法规的不同位置和改变。您当地的公用事业公司可能会或可能不会被要求参加，回购价格可以相差很大。你也可能需要特殊的设备，以确保兼容的权力，你正在寻找出售的公用事业公司用自己的。安全也是一个问题。该实用程序，以确保，如果有一个在你家附近停电，您的光伏系统将不会继续喂电力电源线，架线工认为是死的。称为孤岛，这是一个危险的境地，但它也可避免逆变器防孤岛-这是我们将到达的下一个页面。

如果您决定使用电池代替，记住，他们就必须保持，然后更换后若干年内。大多数太阳能电池板往往会持续30年左右（和改进长寿肯定是一个研究目标），但电池根本没有那样的使用寿命。光伏系统的电池也可以是非常危险的，因为他们的能量存储和它们所包含的酸性电解质，所以你需要一个通风良好，非金属外壳。

虽然有几种不同类型的电池被普遍使用，他们都应该有共同的一个特点是，它们是深循环电池。与您的汽车电池，这是一个浅循环电池，深循环电池可以释放其储存的能量，同时仍然保持寿命长。汽车电池的大电流放电，在很短的时间-启动你的车-如果你开车，然后立即充电。光伏电池通常有一段较长的时间（例如在夜间或在断电期间）一个较小的电流放电，而在白天被充电。最常用的深循环电池是铅酸电池（密封和排气）和镍-镉电池，这两个具有不同的优点和缺点。

在接下来的页面中，我们将深入更深入一点的组件会需要的阳光，为您节省一些现金。

整理你的太阳能发电设置

电池的使用需要被称为充电控制器的另一个组件的安装。电池持续更长的时间，如果他们不滥收费用或耗尽太多。这是一个充电控制器做什么。一旦电池充满电时，充电控制器，不会让电流从光伏模块继续流入。同样，一旦电池已被排出到一定的预定水平时，通过测量电池电压的控制，许多充电控制器将不允许更多的电流从电池中排出，直到它们已被充电。使用充电控制器是必不可少的，较长的电池寿命。

除了??能源存储的其他问题是，太阳能电池板所产生的电力，并提取从你的电池，如果你选择使用它们的形式，提供您的公用事业或在你家的电器使用，是不是。由太阳能系统产生的电力是直流电，所以你需要把它转换成交流电的逆变器。就像我们讨论的最后一页上，除了开关DC到AC，一些逆变器设计，以防止孤岛，如果您的系统连接到电网。大多数大型逆变器将允许你自动地控制你的系统是如何工作的。某些PV模块，称为AC模块，实际上有一个逆变器已经内置到每个模块，消除了需要一个大的，中央逆变器，并简化了布线问题。

扔在安装硬件，接线，接线盒，接地装置，过流保护，DC和AC断开和其他配件，你有自己的系统。您必须遵守电气法规（国家电气代码为PV有一节），并强烈建议持牌电工谁拥有丰富的经验与光伏系统的安装。光伏发电系统安装完成后，只需要很少的维护（特别是如果没有电池时），并提供电力的清洁和安静地20年或更长时间。

在太阳能电池技术的发展

我们已经谈了很多关于一个典型的光伏发电系统的运行，但成本效益（我们将进入下页）有关的问题，这已促使无尽的研究工作，旨在发展和微调的新方法，使太阳能功率与传统能源竞争日趋激烈。

例如，单晶硅是不是唯一的PV电池中使用的材料。多晶硅是用来在试图削减制造成本，虽然所得到的细胞是不一样高效，单晶硅。第二代太阳能电池技术包括作为薄膜太阳能电池的已知。虽然他们也往往以牺牲一些效率，他们是简单和生产成本更低-他们变得更有效率，所有的时间。可以由多种材料，包括无定形硅（具有没有结晶结构），砷化镓，铜铟联硒化物，碲化镉薄膜太阳能电池。

为提高效率的另一种策略是使用两层或更多层不同的材料具有不同带隙。请记住，在物质的不同，不同的能量的光子被吸收。所以层叠更高的带隙的材料的表面上，以吸收高能量的光子（同时允许较低能量的光子被吸收的低带隙材料的下方），可导致高得多的效率。称为多结电池，这样的细胞，可以有一个以上的电场。

聚光光伏技术是另一种很有前途的发展领域。而不是简单地收集和转换的部分恰好是阳光照下来，被转换成电能，聚光光伏系统的使用加法透镜和反射镜等光学设备，更大量的太阳能集中到高效的太阳能电池。虽然这些系统一般都是价格较高的制造，他们有许多的优势，比传统的太阳能电池板的设置，并鼓励进一步的研究和开发工作。所有这些不同版本的太阳能电池技术有梦想的应用程序和运行的产品包罗万象，从太阳能动力的飞机和空间为基础的发电站，以更多的日常用品，如的光伏供电窗帘，衣服和笔记本电脑的案件。忽略了甚至微型纳米粒子的世界，甚至探索和研究人员的潜力，有机生产的太阳能电池。

但是，如果光伏发电的自由能是这样一个美妙的源，那么为什么不整个世界上运行的太阳能发电吗？

太阳能发电的成本

有些人有一个有缺陷的太阳能概念。虽然这是真的，阳光是免费的，光伏系统产生的电力。有很多的因素，以确定是否安装光伏发电系统是值得的价格。

首先，你在哪里居住的问题。生活在阳光明媚的世界各地的人们开始具有更大的优势比那些定居在阳光普照的位置，因为他们的光伏发电系统一般都能够产生更多的电力。最重要的是，在一个地区应该考虑的水电费。电力价格相差很大，从一个地方到另一个地方，所以有人居住更远的北部仍可能要考虑将太阳能率特别高。

接下来，安装成本，因为你可能会注意到我们讨论的家用光伏发电系统，相当多的硬件是必要的。截至2009年，太阳能电池板安装的住宅平均介于8美元，10美元每瓦。系统，越大的越少，它通常成本每瓦。同样重要的是要记住，许多太阳能发电系统不能完全覆盖的用电负荷100％的时间。有机会，你仍然有一个权力法案，但它一定会低于如果没有太阳能电池板。

尽管标价，也有一些潜在的方法来支付为居民和企业愿意升级和太阳能光伏发电系统的成本。这些都可以在联邦和各州的税收优惠政策，公用事业公司的回扣及其他融资机会。此外，根据上大的太阳能电池板安装-以及它如何执行-它可以帮助支付本身更快地创造权力偶尔的盈余。最后，也是很重要的因素，在房屋价值估计。安装的光伏系统预计将增加数千美元的家庭的价值。

目前，太阳能发电仍然有一定的难度与公用事业的竞争，但成本正在下降，为研究改进技术。倡导者的信心，PV有一天会在城市地??区以及偏远的成本效益。问题的部分原因是，制造需要做大规模上尽可能地降低成本。然而，那种对光伏的需求，将不存在，直到价格下降到具有竞争力的水平。这是一个catch-22。即便如此，由于需求和模块效率不断上升，价格下跌，和世界日益认识到与传统能源对环境的关注，这是可能的光伏发电将有一个光明的未来。